浮封环密封研究.pdf

▲专 题 研 究▲牙 轮 钻 头 单 金 属 浮 动 密 封 结 构 的 密 封 机 理张 宝 生*陈 家 庆 蒋 立 培（ 北 京 石 油 化 工 学 院 机 械 工 程 系 ）摘 要 在 牙 轮 钻 头 中 成 功 应 用 单 金 属 浮 动 金 属 密 封 结 构 的 关 键 在 于 控 制 密 封 端 面 之 间 的 接 触压 力 应 用 当 今 最 先 进 的 非 线 性 有 限 元 分 析 软 件 Msc.Marc， 结 合 单 金 属 浮 动 金 属 密 封 结 构 的 装配 过 程 对 其 密 封 机 理 进 行 了 有 限 元 分 析 通 过 对 装 配 和 工 作 过 程 中 密 封 面 的 接 触 应 力 分 布 以 及 关键 部 位 的 应 力 变 化 的 分 析 ， 提 出 实 际 应 用 中 应 注 意 的 问 题 ， 并 探 讨 了 结 构 形 式 、 设 计 参 数 、 材料 、 润 滑 脂 对 密 封 能 力 的 影 响 ， 为 国 内 钻 头 厂 家 掌 握 单 金 属 浮 动 密 封 结 构 的 设 计 开 发 技 术 提 供 一定 的 借 鉴 和 帮 助 。

关 键 词 牙 轮 钻 头 单 金 属 密 封 密 封 机 理 有 限 元 分 析引 言石 油 大 学 （ 北 京 ） 罗 纬 教 授 等 人 从 20 世 纪 80年 代 末 期 开 始 独 立 进 行 牙 轮 钻 头 单 金 属 浮 动 密 封 的研 究 工 作 ， 并 申 请 了 相 关 专 利［ 1］， 其 研 究 方 法 主 要是 在 事 先 确 定 牙 轮 、 牙 爪 以 及 密 封 环 结 构 尺 寸 的 基础 上 针 对 橡 胶 密 封 圈 进 行 大 量 的 实 验 研 究 由 于 种种 原 因 ， 金 属 浮 动 端 面 密 封 的 核 心 设 计 开 发 技 术 一直 未 能 被 国 内 钻 头 生 产 厂 家 真 正 掌 握 在 单 金 属 浮 动 端 面 密 封 结 构 中 ， 橡 胶 密 封 圈 与相 接 触 的 金 属 密 封 环 、 牙 爪 轴 颈 之 间 起 静 密 封 作用 ， 动 密 封 面 由 金 属 密 封 环 轴 向 底 部 大 端 面 与 牙 轮轴 向 端 面 构 成 ； 同 时 由 于 橡 胶 密 封 圈 的 弹 性 变 形 特性 ， 允 许 金 属 密 封 环 在 一 定 程 度 上 浮 动 摇 摆 以 适 应钻 头 轴 承 系 统 的 振 动 冲 击 工 况 。

保 证 牙 轮 钻 头 金 属浮 动 端 面 有 效 可 靠 密 封 的 关 键 在 于 在 各 种 井 底 工 况下 始 终 保 证 金 属 密 封 端 面 之 间 的 接 触 比 压 在 一 个 合适 范 围 内 ， 影 响 该 接 触 比 压 大 小 的 因 素 有 ：①金 属密 封 环 、 牙 爪 轴 颈 与 橡 胶 密 封 圈 接 触 部 位 的 结 构 尺寸 和 形 状 ；②橡 胶 密 封 圈 的 材 料 特 性 ；③整 个 轴 承系 统 轴 向 配 合 尺 寸 及 其 误 差 ；④润 滑 脂 的 压 力 及 其工 作 过 程 中 的 波 动 情 况 ；⑤工 作 过 程 中 轴 承 系 统 径向 配 合 尺 寸 及 其 误 差 等 笔 者 旨 在 采 用 Msc.Marc 有 限 元 分 析 手 段 ， 对牙 轮 钻 头 单 金 属 浮 动 端 面 密 封 的 装 配 过 程 及 工 作 时润 滑 脂 压 力 波 动 对 上 述 接 触 比 压 的 影 响 进 行 计 算 仿真 ， 以 期 对 国 内 钻 头 厂 家 掌 握 单 金 属 浮 动 端 面 密 封的 核 心 设 计 开 发 技 术 起 到 一 定 的 帮 助 和 借 鉴 作 用 。

橡 胶 密 封 类 型 问 题 的 有 限 元 分 析 技 术尽 管 有 限 元 分 析 技 术 已 经 有 近 40 年 的 历 史 ，但 在 橡 胶 类 高 弹 性 材 料 方 面 的 应 用 还 只 是 最 近 十 几年 才 开 始 而 当 橡 胶 材 料 用 于 密 封 类 型 的 工 作 场 合时 ， 除 了 橡 胶 类 材 料 的 本 构 方 程 、 单 元 形 式 和 非 线性 方 程 求 解 收 敛 等 问 题 有 很 大 困 难 之 外 ， 涉 及 到 的接 触 问 题 也 很 难 处 理 为 了 保 证 有 效 密 封 ， 势 必 产生 大 变 形 和 大 应 变 ， 由 此 引 起 几 何 非 线 性 ； 同 时 其高 弹 性 和 不 可 压 缩 性 引 起 接 触 边 界 条 件 连 续 改 变 ，甚 至 发 生 滑 动 ， 经 典 数 值 分 析 方 法 中 的 间 隙 单 元 和接 触 单 元 均 无 法 满 足 要 求 Msc.Marc 软 件 是 处 理 高 度 组 合 非 线 性 结 构 、热 及 其 它 物 理 场 和 耦 合 场 问 题 的 高 级 有 限 元 软 件 ，它 由 Marc（ Marc Analysis Research Corporation） 公 司生 产 。

Msc.Marc 软 件 中 所 采 用 的 主 要 分 析 技 术 包·1·2003 年 第 31 卷 第 2 期石 油 机 械═══════════════════════════════════════════════════════════════CHINA PETROLEUM MACHINERY*张 宝 生 ， 讲 师 ， 生 于 1971 年 ， 1992 年 毕 业 于 北 京 航 空 航 天 大 学 飞 行 器 设 计 专 业 ， 1995 年 获 石 油 大 学 （ 北 京 ） 石 油 天 然 气 机 械 工 程 硕士 学 位 现 从 事 机 电 系 统 仿 真 、 现 代 机 械 设 计 等 方 面 的 教 学 与 科 研 工 作 地 址 ： （ 102617） 北 京 市 大 兴 区 电 话 ： （ 010） 69269466 收 稿 日 期 ： 2002 - 07 - 24； 修 改 稿 收 到 日 期 ： 2002 - 10 - 15）括 ：（ 1） 弹 性 应 变 能 理 论 ， 描 述 橡 胶 密 封 类 型 材 料的 本 构 方 程 Msc.Marc 软 件 中 通 常 可 用 四 种 应 变能 函 数 来 描 述 橡 胶 类 材 料 的 特 性 ： Neo-Hookean 函数 、 Mooney-Rivilin 函 数 、 James-Green-Simpson 函 数和 Ogden 函 数 ， 这 些 函 数 都 定 义 为 拉 伸 比 或 应 变 不变 量 的 函 数 。

在 工 程 实 际 中 ， 一 般 采 用 Mooney-Rivlin 函 数 即 可 满 足 要 求 2） 自 动 接 触 分 析 理 论 ， 处 理 橡 胶 密 封 类 型 结构 与 其 它 物 体 的 接 触 边 界 在 有 限 元 分 析 中 ， 通 常将 接 触 考 虑 为 一 种 非 穿 透 性 的 边 界 约 束 ， Msc.Marc软 件 提 供 了 约 束 求 解 方 法 处 理 接 触 非 线 性 边 界 条 件 ，可 求 解 变 形 体 与 变 形 体 以 及 变 形 体 与 刚 体 之 间 的 接触 ， 分 析 时 用 户 只 需 定 义 可 能 接 触 的 物 体 3） Herrmann 变 分 原 理 ， 采 用 基 于 Herrmann变 分 原 理 生 成 的 二 维 轴 对 称 不 可 压 缩 单 元 ， 具 有Hourglass 控 制 的 减 缩 积 分 等 先 进 的 单 元 技 术 4） 随 动 力 （ Follow Force） ， 力 的 大 小 和 方 向随 几 何 形 状 的 变 化 而 变 化 ， 以 保 证 接 触 压 力 永 远 垂直 于 作 用 表 面 。

5） 非 线 性 有 限 元 基 本 方 程 的 形 成 和 求 解 橡胶 密 封 类 型 问 题 的 分 析 是 典 型 的 非 线 性 问 题 ， 通 常不 能 用 一 步 直 接 求 解 ， 而 是 采 用 增 量 求 解 方 案 ， 即将 一 个 非 线 性 过 程 分 割 为 若 干 非 线 性 程 度 不 是 十 分严 重 、 近 似 于 线 性 的 加 载 小 段 ， 这 样 即 可 避 免 非 线性 的 发 散 现 象 ， 也 可 提 高 求 解 精 度 采 用 完 全 的Newton-Raphson 方 法 求 解 和 位 移 检 查 收 敛 准 则 比 较合 适 采 用 此 法 每 次 迭 代 都 重 新 形 成 刚 度 矩 阵 ， 计算 费 用 很 高 ， 但 可 以 保 证 求 解 的 可 靠 性 、 精 度 和 稳定 性 单 金 属 浮 动 密 封 结 构的 有 限 元 建 模 与 分 析1. 计 算 分 析 模 型考 虑 到 牙 轮 钻 头 单 金 属 浮 动 端 面 密 封 具 体 结 构尺 寸 参 数 的 保 密 性 以 及 本 文 的 示 范 性 ， 这 里 结 合 美国 专 利 US4753304 采 用 图 1 所 示 的 有 限 元 分 析 模型［ 2］， 其 中 主 要 尺 寸 为 ： O 形 橡 胶 圈 与 密 封 环 接 触的 平 均 最 小 直 径 D1= 47.8 mm、 O 形 橡 胶 圈 与 牙 爪轴 颈 接 触 的 平 均 最 小 直 径 D2= 50.8 mm、 牙 轮 内 孔直 径 Dc= Ds= 50 mm、 牙 爪 轴 颈 密 封 圆 锥 段 的 倾 斜角α= 20º、 O 形 橡 胶 圈 ö50 mm × 4.3 mm。

考 虑 到轴 对 称 性 ， 在 采 用 Msc.Marc 软 件 进 行 分 析 时 ， 对于 O 形 橡 胶 圈 采 用 不 可 压 缩 轴 对 称 四 边 形 Herrmann单 元 ， 划 分 单 元 数 为 328 个 ， 节 点 数 为 365 个 ， 橡胶 材 料 采 用 Mooney-Rivilin 模 型 ， 材 料 常 数 C10=1.87 和 C01= 0.47； 单 金 属 密 封 环 采 用 轴 对 称 四 边形 环 单 元 ， 划 分 单 元 数 为 171 个 ， 节 点 数 为 200个 ， 密 封 环 材 料 弹 性 模 量 E = 2.0 × 106MPa， 泊 松比v= 0.3； 牙 爪 轴 颈 、 牙 轮 轴 向 端 面 可 作 为 刚 体处 理 经 过 上 述 处 理 后 的 有 限 元 单 元 模 型 如 图 2 所示 图 1 牙 轮 钻 头 单 金 属 浮 动 密 封 结 构 尺 寸1— 牙 爪 轴 颈 ； 2— 密 封 环 ； 3— O 形 橡 胶 圈 ； 4— 刀 座图 2 有 限 元 模 型 示 意 图2. 加 载 计 算 分 析 过 程加 载 过 程 分 三 个 步 骤 进 行 ， 分 别 模 拟 O 形 橡胶 圈 预 装 配 、 单 金 属 密 封 环 的 装 配 、 密 封 腔 加 注 润滑 脂 。

共 使 用 50 个 增 量 步 1） O 形 橡 胶 圈 预 装 配 ， 这 里 采 用 牙 爪 轴 颈 沿径 向 外 移 的 方 法 来 模 拟 橡 胶 圈 的 装 配 ， 位 移 量 为0.35 mm， 使 用 4 个 增 量 步 ， 装 配 后 使 橡 胶 圈 具 有一 定 的 预 紧 力 和 变 形 2） 图 3 给 出 单 金 属 密 封 环 装 配 到 位 后 的 变 形图 和 接 触 压 力 （ 正 应 力 ） 图 从 密 封 环 与 O 形 橡胶 圈 相 接 触。